Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Электроснабжение железных дорог. Учебное пособие
.pdf
Неравенство напряжений по фазам отрицательно влияет на работу осветительных ламп и других однофазных приемников электроэнергии. Несимметрия напряжений может в некоторой степени обусловливать неодинаковые напряжения на плечах питания
тяговых подстанций.
Согласно ГОСТ 13109-97 [19] нормально допустимое и предельно допустимое значения коэффициента несимметрии напряжения по обратной последовательности в точках общего присоединения к электрическим цепям равны 2,0 и 4,0 % соответственно. Для шин 35 (10) кВ и 27,5 кВ эти значения несколько больше.
171
Гла ва 9
ЕМКОСТНАЯ КОМПЕНСАЦИЯ
НА УЧАСТКАХ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
На электрифицированных участках переменного тока качество электрической энергии, потребляемой тяговыми нагрузками (электровозами) и нетяговыми потребителями, не всегда соответствует установленным нормативам. Для поддержания показателей качества электрической энергии в допустимых пределах
применяются специальные меры. Одна из таких мер — емкостная компенсация. В зависимости от того, как ее элементы включаются по отношению к нагрузке (параллельно или последовательно), различают поперечную (параллельную) емкостную компенсацию (ПЕК) и продольную (последовательную) емкостную
компенсацию (ПДЕК).
9.1. Отрицательные последствия
пониженного значения коэффициента мощности
на шинах тяговых подстанций переменного тока
Электровозы переменного тока потребляют из системы значительную реактивную мощность, поэтому коэффициент мощности на шинах тяговых подстанций имеет достаточно пониженное значение. Его величина, как правило, изменяется в пределах
0,75–0,85 [21]. В среднем его значение принимают равным 0,8.
172
На электровозах с выпрямительными установками кривая по-
требляемого тока имеет несинусоидальную форму. В этом случае
при синусоидальном напряжении коэффициент мощности k
М
определяется выражением [17]
k
= νI cosj1, (9.1)
М
где νI — коэффициент искажения кривой тока, равный отношению действующего значения первой гармоники к полному току;
j1 — угол сдвига между векторами напряжения и первой гар-
моникой тока.
Для двухпульсовой мостовой схемы выпрямления, применяемой на электровозах переменного тока, теоретическое значение νI
(при идеальном сглаживании кривой выпрямленного тока) равно
0,9 [39, 40]. При действительных условиях эксплуатации, когда
кривая выпрямленного тока носит пульсирующий характер, значение νI составляет 0,982 [21].
Таким образом, без большей погрешности можно принять, что
kМ = cosj1.
Низкое значение коэффициента мощности (cos j) приводит
к ряду отрицательных последствий. Реактивная мощность, необходимая для работы электровозов, поступая из системы, загружает линии и трансформаторы. В результате увеличиваются потери
активной мощности. Покажем это для простейшего случая. Для
однофазной цепи или для одной фазы трехфазной при протекающем токе I и напряжении U потребляемая активная мощность
Р равна UI cos j, а потеря активной мощности DР при активной
составляющей сопротивления цепи R находится как I 2R. Определяя ток I как Р/U cos j и подставляя это в выражение для DР,
получим
2
DP
P
22
cos.j
U
R=
(9.2)
Из формулы (9.2) следует: чем меньше cos j при одной и той же
потребляемой активной мощности Р, тем больше будет потеря активной мощности.
Кроме того, при пониженном значении коэффициента мощности cos j реактивный ток, протекая по элементам системы элек-
троснабжения, обладающих реактивным сопротивлением, вызывает дополнительную потерю напряжения на зажимах потребителей.
173
Хорошо видно, что при уменьшении cos j возрастает ток I
и уве-
р
личивается потеря напряжения DU (при одной и той же потребляемой активной мощности, т. е. ток Iа неизменен).
Пониженное значение коэффициента мощности приводит также к уменьшению располагаемой мощности того или иного источника питания. Другими словами, источник питания с определенным номинальным током сможет обеспечить электроэнергией
тем меньшее число потребителей, чем меньше у них коэффициент мощности. В качестве примера рассмотрим два вида однофазных электроприемников, которые потребляют одну и ту же активную мощность Р, но имеют существенно различные коэффициенты мощности. Пусть коэффициент мощности электроприемника
первого типа cosj
в два раза больше коэффициента мощности
1
электроприемника второго типа cosj2. Тогда потребляемый ток
электроприемника первого типа будет равен Р/U cosj1, а второго
типа — Р/U cosj2, т. е. в два раза больше.
Таким образом, источник питания при его определенном номинальном токе сможет питать число электроприемников второго типа в два раза меньше, чем первого.
Для повышения коэффициента мощности на шинах тяговых
подстанций переменного тока в принципе могут быть применены
те же средства, которые используются в системах для других потребителей. В качестве источника реактивной мощности применяются синхронные компенсаторы, синхронные двигатели, конденсаторные установки. Синхронные компенсаторы и двигатели
относятся к машинным источникам реактивной мощности, выпускаются в трехфазном исполнении и обычно используются в симметричных трехфазных сетях [10]. Кроме того, синхронные компенсаторы выгодно использовать, когда номинальная мощность
источника реактивной мощности более 7500 квар [12]. Поэтому
для повышения коэффициента мощности на шинах тяговых подстанций переменного тока за счет частичной разгрузки системы
от потока реактивной мощности применяют статические нерегулируемые и регулируемые установки реактивной мощности на базе
электрических конденсаторов.
174
9.2. Поперечная емкостная компенсация
при размещении установки на тяговой подстанции
Рассмотрим работу установки поперечной емкостной компенсации (ПЕК) для случая простейшей однофазной цепи, которая имеет место, если питание тяговой нагрузки осуществляется
от установленного на тяговой подстанции однофазного трансформатора. Схема замещения для этого случая приведена на рис. 9.1.
Точка включения установки ПЕК обозначена как «а».
·
I· = I
+ I·ў
2
с
«а»
X
s
·
U
1
R
s
·
I
с
·
I
, j
2
2
X
s
·
U
(U·ў2)
2
1
Рис. 9.1. Схема замещения однофазной цепи:
1 — тяговая нагрузка,
İ — ток в системе,
размещения установки ПЕК до ее применения и после,
нагрузки,
ное сопротивления питающей цепи от источника питания до места включения установки ПЕК, Xс — емкостное сопротивление
установки ПЕК, j2 — сдвиг по фазе между векторами напряжения и тока в точке размещения установки ПЕК до ее включения
— ток установки ПЕК, RsXs — активное и индуктив-
ў
I
c
— напряжение источника питания,
U
1
— напряжение в точке предполагаемого
ў
UU
()
22
I
— ток
2
Рассмотрим два режима работы приведенной схемы замещения:
при отсутствии поперечной емкостной компенсации и при ее наличии. Построим совмещенную векторную диаграмму для обоих
режимов. Для первого режима построение проведем сплошными
линиями, для второго — пунктирными, рис. 9.2. Для четкости и ясности построения векторной диаграммы масштабы при изображении векторов напряжения и падения напряжения примем разные.
Первоначально приведем векторную диаграмму при отсутствии
установки ПЕК. В качестве начального вектора при ее построении
принят вектор напряжения
лить положение вектора тока
(см. рис. 9.2), позволяющий опреде-
U
2
исходя из активно-индуктивно-
I
,
2
го характера тяговой нагрузки (значение угла j2 изменяется от 30
до 45°). Приведем векторы активной İ2а и реактивной İ2р составляющих тока нагрузки İ2. Построив векторы падений напряжения
175
и jİ2Xs, найдем положение вектора напряжения источника пи-
İ
2Rs
тания
Полученный угол j1 определяет коэффициент мощ-
U
.
1
ности в системе. Потеря напряжения до точки «а» равна DU2
(см. рис. 9.2).
·
U
1
·
ў
I
с
j
2
·
ў
I
2р
·
I
2р
·
I
jў
2а
1
j
1
·
I
·
I
2
·
U
2
·
ў
I
cRs
·
·
U·ў
ў
I
jI
2
cXs
2
·
jI
X
2
s
·
j
X
jI
j
2
·
R
I
R
s
s
s
90°
DU·ў
90°
DU
2
2
Рис. 9.2. Векторная диаграмма для схемы замещения
без установки ПЕК и при ее наличии:
без установки ПЕК, при включении установки ПЕК
Включим установку ПЕК, представленную на схеме замещения в виде конденсатора, в точке «а». Дальнейшее построение векторной диаграммы произведем пунктирными линиями. Включе-
ў
,
ние установки ПЕК означает появление тока
практически на 90° опережает вектор напряжения
I
вектор которого
c
U
(см. рис. 9.2).
2
Это приводит к тому, что на участке от источника питания до точ-
ки «а» теперь будет протекать ток İ, равный сумме токов
(см. рис. 9.1). Реактивная составляющая тока в системе
и
I
I
2
c
ў
I
ста-
2р
новится меньше по сравнению с этой составляющей до компенсации İ2р, а активная составляющая тока İ2а остается прежней
(см. рис. 9.2). Последующее построение векторной диаграммы выполним от конца вектора
так как величина его модуля и опре-
U
,
1
деленное уже его положение на векторной диаграмме не зависят
от того, включена или нет установка ПЕК. Из конца этого вектора
IR
построим вектор падения напряжения
напряжения
дуль вектора
учитывая, что ток I меньше тока I2, поэтому мо-
IR
,
s
меньше модуля вектора
jIX
s
,
а затем вектор падения
s
а модуль вектора
jI X
,
s2
2
ў
176
меньше модуля вектора
IR
s
строения векторной диаграммы с началом вектора
положение вектора напряжения в точке «а» при компенсации
Соединив начальную точку по-
IR
.
s2
IR
,
s
определим
ў
U
2
модуль которого больше модуля вектора напряжения в этой точке
U
до компенсации
пряжения
составил
ў
jI X
cs
ў
j
(см. рис. 9.2). Потеря напряжения до точки «а» полу-
1
чается равной
.
Разница обусловлена вектором падения на-
2
Сдвиг по фазе между напряжением
.
U
DўU2.
и током
1
I
Из анализа построенной векторной диаграммы следует, что
ў
,
угол
ся (cosўj1 > cosj1), а
<jj
т. е. коэффициент мощности в системе увеличивает-
11
ў
DD
<UU
22
,
что означает увеличение напряже-
ния в точке включения установки ПЕК (см. рис. 9.2).
Выразим потерю напряжения
DўU
через DU2. Из векторной ди-
2
аграммы следует, что
,
ў
DD
=-
UUIX
ў
.
(9.3)
cs22
Перепишем выражение (9.3), используя рис. 9.2,
Dў=+-
UIR IX IX
cos sin .jj
sscs22 22 2
ў
(9.4)
Переходя к активной I2а и реактивной I2p составляющим тока
нагрузки, будем иметь
ў
Dў=+-
UIRIXIX
sscs22 2ар
,
или
Dў=+-
UIRI IX
scs22 2ар
(9.5)
().
ў
Выражение в круглых скобках в формуле (9.5) отражает идею
поперечной емкостной компенсации — уменьшение реактивной
составляющей тока в системе за счет установки источника реактивной мощности в непосредственной близости от нагрузки.
Установки поперечной емкостной компенсации размещаются
на стороне 27,5 кВ в двух точках: на тяговой подстанции и на посту
секционирования, рис. 9.3. При включении однофазной установки
ПЕК на подстанции она устанавливается на одном из ее плеч питания, параллельно тяговой нагрузке (электровозам). Это осуществляется на плече питания, на которое подается напряжение «отстающей» фазы, рис. 9.3. На рисунке установка ПЕК в виде конденсатора Cў чисто условно показана включенной между контактной
177
сетью и рельсами. В эксплуатации она, конечно, размещается
на территории тяговой подстанции.
Размещение установки ПЕК на плече питания тяговой подстанции именно с «отстающей» фазой обусловлено рядом причин.
При включении ее на плече питания тяговой подстанции с «отстающей» фазой она, помимо повышения коэффициента мощности,
обеспечивает определенное повышение напряжения на этом плече, где напряжение, как правило, меньше, чем на плече с «опережающей» фазой и уменьшение несимметрии токов, создаваемой
тяговой подстанцией в системе (см. гл. 9). Однофазная установка ПЕК уменьшает потерю напряжения не только на том плече, где она установлена, но и на соседнем. Но уменьшение потери напряжения на этом плече в четыре раза меньше, чем на плече с установкой [5].
A
B
~
C
1
2
¾
A
В
(B)
(А)
XX
YYZZ
xxyyzz
a
(b)ab(a)
ў
·
+U
b
Рис. 9.3. Места включения установок
поперечной емкостной компенсации:
1 — контактная сеть, 2 — рельсы
С
–U
Пост
секционирования
·
с
ў
С
¾
A
ВСС
bcc
ў
С
–U
·
с
+U
·
a
Установка ПЕК может быть включена и на посту секционирования (см. рис. 9.3). Это позволяет уменьшить потери напряжения и в тяговой сети, повысить напряжение на посту секционирования. При включении установки ПЕК на подстанции она повышает напряжение на плече, на котором установлена, на 2–5 %
в зависимости от мощности установки. При расположении установки на посту секционирования напряжение на его шинах увеличивается на 6–12 %.
178
Повышение напряжения в месте включения установки ПЕК
определяют по формулам [6]:
dU
к
— при включении на подстанции
X
DU
1100
%( ) %;=-
к
к
-ў-
XXX
кт
ў
s
(9.6)
— включении на посту секционирования
X
DU
%( ) %;=-
1100
к
XXXxl
кт
к
-ў-ў-
s
(9.7)
где Хк — реактивное сопротивление установки поперечной емкостной компенсации;
x — удельное индуктивное сопротивление тяговой сети;
l — длина межподстанционной зоны;
ў
X
ў
X
и
— см. 6.4 и формулы (6.17) и (6.18).
s
т
При применении установки ПЕК на плече питания подстанции с «отстающей» фазой, как уже было отмечено, происходит
и определенное выравнивание токов фаз трехфазного трансформатора, что уменьшает несимметрию токов, создаваемую подстанцией в системе.
Включение конденсаторной батареи на шинах тяговой подстанции 27,5 кВ создает условия для возникновения резонанса напряжений. Приведем схему замещения, рассматривая одну фазу тягового трансформатора, рис. 5.4, а.
Появление установки ПЕК приводит к образованию колебательного контура, который имеет две ветви: первая состоит из активного и индуктивного сопротивлений системы и трансформатора
и емкостного сопротивления установки ПЕК, вторая — из последовательно соединенных емкостного сопротивления установки Xc,
индуктивного и активного сопротивлений тяговой сети X
Lтс
и Rтс
и электровоза (см. рис. 9.4, а). В каждой ветви происходит усиление отдельных высших гармоник тока, обусловленных электровозом при работе его выпрямительной установки, за счет того, что
индуктивное сопротивление компенсируется емкостным, поэтому
ток ветви ограничивается только ее активным сопротивлением [6].
Кроме того, при увеличении напряжения скачком, которое происходит в момент окончания коммутации вентилей выпрямительной установки электровоза, т. е. дважды за период Т (см. рис. 9.4, б),
во второй ветви колебательного контура возникает ток собственных
179
колебаний [5]. Этот ток имеет повышенную частоту (3, 5, 7 и т. д.
гармоники в зависимости от удаленности от подстанции) и может
достигать значений, соизмеримых с основным током установки.
В результате ток, протекающий по ней, вызывает недопустимую
перегрузку конденсаторов установки и может стать причиной выхода их из строя.
а
R
s
~
X
s
X
L
тс
X
c
R
1
тс
3
2
б
U
d
T
t
Рис. 9.4. Условия возникновения резонанса напряжений
при включении установки ПЕК:
а — схема замещения, б — кривая изменения выпрямленного напряжения
Ud на зажимах тяговых двигателей постоянного тока электровоза переменно-
го тока, 1 — контактная сеть, 2 — рельсы, 3 –электровоз, Rs и Xs — активное
и индуктивное сопротивления внешней части системы электроснабжения,
Rтс и X
подстанцией и электровозом, Xc — емкостное сопротивление установки ПЕК
— активное и индуктивное сопротивления тяговой сети между тяговой
Lтс
Усиление высших гармоник тока внешней части системы электроснабжения приводит к сильному искажению синусоиды питающего напряжения [5].
Резонанс напряжений возникает при XL = Xc, т. е. при
2
1
= ,
2ppfLfC
(9.8)
где L и C — соответственно индуктивность и емкость колебатель-
ного контура.
180
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]